高速鐵路無(wú)砟軌道中改性CA砂漿的低溫性能研究

程 巖

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

我國(guó)鐵路建設(shè)在近年來(lái)得到了飛速發(fā)展，這不僅取決于我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的穩(wěn)定提升，也歸因于裝備質(zhì)量和配套材料基本設(shè)施的快速進(jìn)步，截止2021年，我國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程已達(dá)到16.8萬(wàn)公里，其中高速鐵路4.9萬(wàn)公里。在高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)取代散粒碎石道床的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要作用，這主要是因?yàn)闊o(wú)砟軌道相較有砟軌道具有平順性好、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)和耐久性好等特點(diǎn)［1-2］。CA砂漿作為無(wú)砟軌道中的重要原料，其填充至無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的使用性能和耐久性能將在很大程度上決定了無(wú)砟軌道的整體使用性能，這是因?yàn)镃A砂漿需要填充軌道板與混凝土底座間的空隙，需要自適應(yīng)地調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)高度、需要承受軌道板的垂直荷載等［3-4］。因此，用于無(wú)砟軌道的CA砂漿需要具有良好的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能，而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的CA砂漿無(wú)法滿足現(xiàn)代化高速鐵路無(wú)砟軌道的使用要求［5］。目前，國(guó)內(nèi)外的研究大多從調(diào)整CA砂漿的成分配比的角度去提升其強(qiáng)度等性能，而采用改性的方法去提高強(qiáng)度方面的報(bào)道較少［6］。在此基礎(chǔ)上，本文擬考察單獨(dú)SBS改性、單獨(dú)CNFs改性和SBS+CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，并分析了不同齡期下CA砂漿的力學(xué)性能變化規(guī)律，結(jié)果可為高速鐵路無(wú)砟軌道用CA砂漿的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

材料：P.O 42.5級(jí)水泥（28d抗折強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度分別為6.9MPa和46.1MPa），細(xì)骨料為河砂（表觀密度2.65g/cm3），70號(hào)B級(jí)基質(zhì)瀝青（軟化點(diǎn)47.9℃），納米碳纖維（CNFs、長(zhǎng)度20μm、管徑160nm、體積密度0.044g/cm3），T6302線型SBS改性劑（拉伸強(qiáng)度18.6MPa）。

將基質(zhì)瀝青加熱至158℃完全融化后加入改性劑（CNFs、SBS），人工攪拌8min后升溫至178℃，再在高速攪拌器中攪拌均勻，制成改性瀝青，然后經(jīng)過(guò)熱熔、添加乳化劑和助劑形成膠體，機(jī)械分散后得到改性乳化瀝青。水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）是將預(yù)先制備好的乳化瀝青、砂子和水等按比例混合后，通過(guò)攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)后形成［7］。

按照GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，制備40mm×40mm×160mm的長(zhǎng)方體試塊，在MTS微機(jī)伺服液壓控制器上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，加載速率為100N/s，每組試樣取5組，結(jié)果為去掉最大值和最小值后的3組試樣的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

表1為SBS摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗壓強(qiáng)度。可見(jiàn)，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度基本介于2.52~2.57 MPa，表明SBS摻量對(duì)CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度影響不大；從28d抗壓強(qiáng)度上看，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度逐漸減小，在SBS摻量為4%時(shí)為4.35MPa，相較未摻加SBS的砂漿有明顯減小，可見(jiàn)，SBS改性會(huì)對(duì)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度帶來(lái)不利影響。這主要是因?yàn)镾BS改性后，改性CA砂漿中會(huì)形成致密的瀝青膜，在一定程度上會(huì)抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發(fā)生水化反應(yīng)［8］，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度會(huì)有所減小，且SBS摻量越大則未發(fā)生水化反應(yīng)的水泥越多，抗壓強(qiáng)度會(huì)越小。

表1 SBS摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of SBS content on compressive strength of CA mortar

表2為CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗壓強(qiáng)度。可見(jiàn)，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度逐漸上升，從未添加CNFs時(shí)的2.52MPa增加至CNFs摻量為2.5%時(shí)的2.88MPa，表明CNFs改性有助于CA砂漿7d抗壓強(qiáng)度的提高；從28d抗壓強(qiáng)度上看，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度逐漸增大，在CNFs摻量為2.5%時(shí)為12.88MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大，可見(jiàn)，CNFs改性會(huì)明顯改善CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)镃NFs改性CA砂漿后，CNFs自身的小粒徑、大表面積結(jié)構(gòu)會(huì)吸附較多的水分，從而使得CA砂漿中未水化的水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，從而使得CA砂漿中水泥的水化反應(yīng)更加充分，此外，CNFs自身的小粒徑還有利于增加CA砂漿的致密性，二者共同作用下提升了CA砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度。

表2 CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 2 Effect of CNFs content on compressive strength of CA mortar

表3為SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響?？梢?jiàn)，無(wú)論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。此外，對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小，可見(jiàn)，SBS摻量的增加也會(huì)對(duì)SBS和CNFs復(fù)合添加時(shí)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度帶來(lái)不利影響，這也與其會(huì)抑制水泥發(fā)生水化反應(yīng)有關(guān)［9］。表4為 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了齡期為1d、7d和28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)，無(wú)論齡期是1d、7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復(fù)合改性CA砂漿抗壓強(qiáng)度隨著CNFs摻量變化趨勢(shì)基本相同，即都會(huì)隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。綜合而言，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變。

表3 SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 3 Effect of composite addition of SBS and CNFs on compressive strength of CA mortar

表4 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 4 Effect of SBS and CNFs composite modification on compressive strength of CA mortar at different ages

2.2 抗折強(qiáng)度

表5為SBS摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗折強(qiáng)度。可見(jiàn)，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗折強(qiáng)度逐漸減小，表明SBS摻量對(duì)CA砂漿的7d抗折強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響；從28d抗折強(qiáng)度上看，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度逐漸減小，在SBS摻量為4%時(shí)為2.71MPa，相較未摻加SBS的砂漿有明顯減小，可見(jiàn)，SBS改性會(huì)對(duì)CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度帶來(lái)不利影響。這主要是因?yàn)镾BS改性后，改性CA砂漿中會(huì)形成致密的瀝青膜，在一定程度上會(huì)抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發(fā)生水化反應(yīng)［10］，相應(yīng)的抗折強(qiáng)度會(huì)有所減小，且SBS摻量越大則未發(fā)生水化反應(yīng)的水泥越多，抗折強(qiáng)度會(huì)越小。此外，在長(zhǎng)時(shí)間冷凍處理后，改性砂漿的脆性會(huì)持續(xù)上升，在受到彎拉作用時(shí)的界面更加薄弱，抗折強(qiáng)度會(huì)明顯減小［11］。

表5 SBS摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 5 Effect of SBS content on flexural strength of CA mortar

表6為CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗折強(qiáng)度?？梢?jiàn)，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d抗折強(qiáng)度逐漸上升，從未添加CNFs時(shí)的1.12MPa增加至CNFs摻量為2.5%時(shí)的1.31MPa，表明CNFs改性有助于CA砂漿7d抗折強(qiáng)度的提高；從28d抗折強(qiáng)度上看，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度逐漸增大，在CNFs摻量為2.5%時(shí)為6.23MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大，可見(jiàn)，CNFs改性會(huì)明顯改善CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度。這主要是因?yàn)镃NFs改性CA砂漿后，CNFs自身的小粒徑、大表面積結(jié)構(gòu)會(huì)吸附較多的水分［12］，從而使得CA砂漿中未水化的水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，從而使得CA砂漿中水泥的水化反應(yīng)更加充分［13］，此外，CNFs自身的小粒徑還有利于增加CA砂漿的致密性［14］，二者共同作用下提升了CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度。

表6 CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 6 Effect of CNFs content on flexural strength of CA mortar

表7為SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響?？梢?jiàn)，無(wú)論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。此外，對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小，可見(jiàn)，SBS摻量的增加也會(huì)對(duì)SBS和CNFs復(fù)合添加CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度帶來(lái)不利影響，這也與其會(huì)抑制水泥發(fā)生水化反應(yīng)有關(guān)［15］。

表7 SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 7 Effect of SBS and CNFs on flexural strength of CA mortar

表8為 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了齡期為7d和28d時(shí)的抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)，無(wú)論齡期是7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復(fù)合改性CA砂漿抗折強(qiáng)度隨著CNFs摻量變化趨勢(shì)基本相同，即都會(huì)隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。綜合而言，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變，這與SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律一致。

表8 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 8 Effect of SBS and CNFs composite modification on flexural strength of CA mortar at different ages

3 結(jié)論

（1）隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度基本不變，28d抗壓強(qiáng)度逐漸減小；隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度逐漸上升，7d抗壓強(qiáng)度從未添加CNFs時(shí)的2.52MPa增加至CNFs摻量2.5%時(shí)的2.88MPa，在CNFs摻量為2.5%時(shí)改性砂漿的28d抗壓強(qiáng)度為12.88MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大。無(wú)論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小。

（2）隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度逐漸減小，可見(jiàn)，SBS改性會(huì)對(duì)CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度帶來(lái)不利影響；隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度逐漸上升，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大；無(wú)論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。此外，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小。

（3）無(wú)論齡期是1d、7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復(fù)合改性CA砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著CNFs摻量變化趨勢(shì)基本相同，即都會(huì)隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。